MySQL复习总结（二）：进阶篇（索引）

文章目录

  • 一、存储引擎
    • 1.1 MySQL体系结构
    • 1.2 存储引擎介绍
    • 1.3 存储引擎特点
    • 1.4 存储引擎选择
  • 二、索引
    • 2.1 基本介绍
    • 2.2 索引结构
    • 2.3 索引分类
    • 2.4 索引语法
    • 2.5 SQL性能分析
    • 2.6 索引使用
      • 2.6.1 最左前缀法则
      • 2.6.2 范围查询
      • 2.6.3 索引失效情况
      • 2.6.4 SQL提示
      • 2.6.5 覆盖索引
      • 2.6.6 前缀索引
      • 2.6.7 单列索引与联合索引
    • 2.7 索引设计原则

一、存储引擎

1.1 MySQL体系结构

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1). 连接层

最上层是一些客户端和链接服务，包含本地sock
通信和大多数基于客户端/服务端工具实现的类似于TCP/IP的通信。主要完成一些类似于连接处理、授权认证、及相关的安全方案。在该层上引入了线程池的概念，为通过认证安全接入的客户端提供线程。同样在该层上可以实现基于SSL的安全链接。服务器也会为安全接入的每个客户端验证它所具有的操作权限。

2). 服务层

第二层架构主要完成大多数的核心服务功能，如SQL接口，并完成缓存的查询，SQL的分析和优化，部分内置函数的执行。所有跨存储引擎的功能也在这一层实现，如过程、函数等。在该层，服务器会解析查询并创建相应的内部解析树，并对其完成相应的优化如确定表的查询的顺序，是否利用索引等，最后生成相应的执行操作。如果是select语句，服务器还会查询内部的缓存，如果缓存空间足够大，这样在解决大量读操作的环境中能够很好的提升系统的性能。

3). 引擎层

存储引擎层，存储引擎真正的负责了MySQL中数据的存储和提取，服务器通过API和存储引擎进行通信。不同的存储引擎具有不同的功能，这样我们可以根据自己的需要，来选取合适的存储引擎。数据库中的索引是在存储引擎层实现的。

4). 存储层

数据存储层，主要是将数据(如:redolog、undolog、数据、索引、二进制日志、错误日志、查询日志、慢查询日志等)存储在文件系统之上，并完成与存储引擎的交互。和其他数据库相比，MySQL有点与众不同，它的架构可以在多种不同场景中应用并发挥良好作用。主要体现在存储引擎上，插件式的存储引擎架构，将查询处理和其他的系统任务以及数据的存储提取分离。这种架构可以根据业务的需求和实际需要选择合适的存储引擎。

1.2 存储引擎介绍

对于存储引擎，它是mysql数据库的核心，我们也需要在合适的场景选择合适的存储引擎。接下来就来介绍一下存储引擎：

存储引擎就是存储数据、建立索引、更新/查询数据等技术的实现方式。存储引擎是基于表的，而不是基于库的，所以存储引擎也可被称为表类型。我们可以在创建表的时候，来指定选择的存储引擎，如果没有指定将自动选择默认的存储引擎。

建表时指定存储引擎：

CREATE TABLE 表名(
字段1 字段1类型 [ COMMENT 字段1注释 ] ,
......
字段n 字段n类型 [COMMENT 字段n注释 ]
) ENGINE = INNODB [ COMMENT 表注释 ] ;

查询当前数据库支持的存储引擎：

show engines;

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1.3 存储引擎特点

重点介绍三种存储引擎InnoDB、MyISAM、Memory的特点。

先来重点看看InnoDB引擎。

1). 介绍
InnoDB是一种兼顾高可靠性和高性能的通用存储引擎，在 MySQL 5.5 之后，InnoDB是默认的MySQL 存储引擎。

2). 特点

  • DML操作遵循ACID模型，支持事务；
    行级锁，提高并发访问性能；
    支持外键FOREIGN KEY约束，保证数据的完整性和正确性；

3). 文件
xxx.ibd：xxx代表的是表名，innoDB引擎的每张表都会对应这样一个表空间文件，存储该表的表结构、数据和索引。

show variables like 'innodb_file_per_table';#查看是否开启

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如果该参数开启，代表对于InnoDB引擎的表，每一张表都对应一个ibd文件。 我们直接打开MySQL的数据存放目录： C:\ProgramData\MySQL\MySQL Server 8.0\Data ， 这个目录下有很多文件夹，不同的文件夹代表不同的数据库，随便打开一个数据库文件夹。

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这些文件是基于二进制存储的，不能直接基于记事本打开，我们可以使用mysql提供的一
个指令ibd2sdi，通过该指令就可以从ibd文件中提取sdi信息，而sdi数据字典信息中就包含该表的表结构。
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4). 逻辑存储结构
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  • 表空间 : InnoDB存储引擎逻辑结构的最高层，ibd文件其实就是表空间文件，在表空间中可以包含多个Segment段。
  • 段 : 表空间是由各个段组成的，常见的段有数据段、索引段、回滚段等。InnoDB中对于段的管理，都是引擎自身完成，不需要人为对其控制，一个段中包含多个区。
  • 区 : 区是表空间的单元结构，每个区的大小为1M。 默认情况下， InnoDB存储引擎页大小为16K， 即一个区中一共有64个连续的页。
  • 页 : 页是组成区的最小单元，页也是InnoDB 存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页的大小默认为16KB。为了保证页的连续性，InnoDB 存储引擎每次从磁盘申请 4-5 个区。
  • 行 : InnoDB 存储引擎是面向行的，也就是说数据是按行进行存放的，在每一行中除了定义表时所指定的字段以外，还包含两个隐藏字段。

再来简单看看MyISAM引擎。

1). 介绍
MyISAM是MySQL早期的默认存储引擎。

2). 特点

  • 不支持事务，不支持外键
    支持表锁，不支持行锁
    访问速度快

3). 文件
xxx.sdi：存储表结构信息
xxx.MYD: 存储数据
xxx.MYI: 存储索引

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最后简单来看看Memory引擎。

1). 介绍
Memory引擎的表数据时存储在内存中的，由于受到硬件问题、或断电问题的影响，只能将这些表作为临时表或缓存使用。

2). 特点
内存存放
hash索引（默认）

3).文件
xxx.sdi：存储表结构信息

三者的区别与联系：
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1.4 存储引擎选择

在选择存储引擎时，应该根据应用系统的特点选择合适的存储引擎。对于复杂的应用系统，还可以根据实际情况选择多种存储引擎进行组合。

  • InnoDB: 是Mysql的默认存储引擎，支持事务、外键。如果应用对事务的完整性有比较高的要求，在并发条件下要求数据的一致性，数据操作除了插入和查询之外，还包含很多的更新、删除操作，那么InnoDB存储引擎是比较合适的选择。
  • MyISAM：如果应用是以读操作和插入操作为主，只有很少的更新和删除操作，并且对事务的完整性、并发性要求不是很高，那么选择这个存储引擎是非常合适的。
  • MEMORY：将所有数据保存在内存中，访问速度快，通常用于临时表及缓存。MEMORY的缺陷就是对表的大小有限制，太大的表无法缓存在内存中，而且无法保障数据的安全性。

二、索引

2.1 基本介绍

索引（index）是帮助MySQL高效获取数据的数据结构(有序)。在数据之外，数据库系统还维护着满足特定查找算法的数据结构，这些数据结构以某种方式引用（指向）数据， 这样就可以在这些数据结构上实现高级查找算法，这种数据结构就是索引。

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表如上图所示，假如我们要执行的SQL语句为:select * from user where age = 45;在无索引情况下，就需要从第一行开始扫描，一直扫描到最后一行，我们称之为全表扫描，性能很低。

但如果我们针对于这张表建立了索引，假设索引结构就是二叉树，那么也就意味着，会对age这个字段建立一个二叉树的索引结构。

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此时我们再进行查询时，只需要扫描三次就可以找到数据了，极大的提高的查询的效率。

优缺点：
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2.2 索引结构

2.2.1：概述
MySQL的索引是在存储引擎层实现的，不同的存储引擎有不同的索引结构，主要包含以下几种：

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上述是MySQL中所支持的所有的索引结构，接下来，我们再来看看不同的存储引擎对于索引结构的支持情况。

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2.2.2：二叉树
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如图所示，如果选择二叉树作为索引结构，会存在以下缺点：

  • 顺序插入时，会形成一个链表，查询性能大大降低。
    大数据量情况下，层级较深，检索速度慢。

由于红黑树也是一颗二叉树，所以也会存在一个缺点：大数据量情况下，层级较深，检索速度慢。

2.2.3：B-Tree

所以，在MySQL的索引结构中，并没有选择二叉树或者红黑树，而选择的是B+Tree，那么什么是B+Tree呢？在详解B+Tree之前，先来介绍一个B-Tree。

B树是一种多路平衡查找树，相对于二叉树，B树每个节点可以有多个分支，即多叉。

插入一组数据： 100 65 169 368 900 556 780 35 215 1200 234 888 158 90 1000 88
120 268 250 。

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特点：

  • 5阶的B树，每一个节点最多存储4个key，对应5个指针。
    一旦节点存储的key数量到达5，就会裂变，中间元素向上分裂。
    在B树中，非叶子节点和叶子节点都会存放数据。

2.2.4：B+Tree

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  • 绿色框框起来的部分，是索引部分，仅仅起到索引数据的作用，不存储数据。
    红色框框起来的部分，是数据存储部分，在其叶子节点中要存储具体的数据。

仍然插入上面的数据。
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B+Tree 与 B-Tree相比，主要有以下三点区别：

  • 所有的数据都会出现在叶子节点。
    叶子节点形成一个单向链表。
    非叶子节点仅仅起到索引数据作用，具体的数据都是在叶子节点存放的。

上述我们所看到的结构是标准的B+Tree的数据结构，接下来，我们再来看看MySQL中优化之后的B+Tree。MySQL索引数据结构对经典的B+Tree进行了优化。在原B+Tree的基础上，增加一个指向相邻叶子节点的链表指针，就形成了带有顺序指针的B+Tree，提高区间访问的性能，利于排序。

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2.2.5：Hash
哈希索引就是采用一定的hash算法，将键值换算成新的hash值，映射到对应的槽位上，然后存储在hash表中。如果两个(或多个)键值，映射到一个相同的槽位上，他们就产生了hash冲突（也称为hash碰撞），可以通过链表来解决。

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特点：

  • Hash索引只能用于对等比较(=，in)，不支持范围查询（between，>，< ，…）
    无法利用索引完成排序操作
    查询效率高，通常(不存在hash冲突的情况)只需要一次检索就可以了，效率通常要高于B+tree索引

存储引擎支持：

  • 在MySQL中，支持hash索引的是Memory存储引擎。 而InnoDB中具有自适应hash功能，hash索引是InnoDB存储引擎根据B+Tree索引在指定条件下自动构建的。

2.3 索引分类

在MySQL数据库，将索引的具体类型主要分为以下几类：主键索引、唯一索引、常规索引、全文索引。

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聚集索引&二级索引:

在InnoDB存储引擎中，根据索引的存储形式，又可以分为以下两种：

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聚集索引选取规则:

  • 如果存在主键，主键索引就是聚集索引。
    如果不存在主键，将使用第一个唯一（UNIQUE）索引作为聚集索引。
    如果表没有主键，或没有合适的唯一索引，则InnoDB会自动生成一个rowid作为隐藏的聚集索引。

聚集索引和二级索引的具体结构如下：

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由上图可知：

  • 聚集索引的叶子节点下挂的是这一行的数据 。
    二级索引的叶子节点下挂的是该字段值对应的主键值。

接下来，我们来分析一下，当我们执行如下的SQL语句时，具体的查找过程是什么样子的。

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具体过程如下:

  • 由于是根据name字段进行查询，所以先根据name='Arm’到name字段的二级索引中进行匹配查找。但是在二级索引中只能查找到 Arm 对应的主键值 10。
    由于查询返回的数据是*，所以此时，还需要根据主键值10，到聚集索引中查找10对应的记录，最终找到10对应的行row。
    最终拿到这一行的数据，直接返回即可，这种方式叫做回表查询。

2.4 索引语法

创建索引：

CREATE [ UNIQUE | FULLTEXT ] INDEX index_name ON table_name (index_col_name,... ) ;

查看索引：

SHOW INDEX FROM table_name ;

删除索引：

DROP INDEX index_name ON table_name ;

案例演示：

# name字段为姓名字段，该字段的值可能会重复，为该字段创建索引
mysql> create index idx_user_name on tb_user(name);
# phone手机号字段的值，是非空，且唯一的，为该字段创建唯一索引
mysql> create unique index idx_user_phone on tb_user(phone);
# 为profession、age、status创建联合索引
mysql> create index idx_user_pro_age_sta on tb_user(profession,age,status);
# 为email建立合适的索引来提升查询效率
mysql> create index idx_email on tb_user(email);
# 查看tb_user表的所有的索引数据
mysql> show index from tb_user;

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2.5 SQL性能分析

2.5.1 SQL执行频率

通过如下指令，可以查看当前数据库的INSERT、UPDATE、DELETE、SELECT的访问频次：

-- session 是查看当前会话 ;
-- global 是查询全局数据 ;
SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Com_______';

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2.5.2 慢查询日志

慢查询日志记录了所有执行时间超过指定参数（long_query_time，单位：秒，默认10秒）的所有SQL语句的日志。
MySQL的慢查询日志默认没有开启，我们可以查看一下系统变量 slow_query_log。

# 查看慢查询日志记录是否开启
mysql> show variables like 'slow_query_log';

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如果要开启慢查询日志，需要在MySQL的配置文件（/etc/my.cnf）中配置如下信息：

# 开启MySQL慢日志查询开关
slow_query_log=1
# 设置慢日志的时间为2秒，SQL语句执行时间超过2秒，就会视为慢查询，记录慢查询日志
long_query_time=2

开启后，我们可以通过下面的语句来对慢查询进行监督：

[root@localhost mysql]# cat /var/lib/mysql/localhost-slow.log 
/usr/sbin/mysqld, Version: 8.0.26 (MySQL Community Server - GPL). started with:
Tcp port: 3306  Unix socket: /var/lib/mysql/mysql.sock
Time                 Id Command    Argument
[root@localhost mysql]# tail -f localhost-slow.log

2.5.3 profile详情

# 查看当前MySQL是否支持profile操作：
SELECT @@have_profiling ;
# 查看当前profiling的值
SELECT @@profiling ;
# 通过set语句在session/global级别开启profiling
SET profiling = 1;

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-- 查看每一条SQL的耗时基本情况
show profiles;
-- 查看指定query_id的SQL语句各个阶段的耗时情况
show profile for query query_id;
-- 查看指定query_id的SQL语句CPU的使用情况
show profile cpu for query query_id;

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2.5.4 explain

EXPLAIN 或者 DESC命令获取 MySQL 如何执行 SELECT 语句的信息，包括在 SELECT 语句执行过程中表如何连接和连接的顺序。

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Explain 执行计划中各个字段的含义：

字段含义
idselect查询的序列号，表示查询中执行select子句或者是操作表的顺序(id相同，执行顺序从上到下；id不同，值越大，越先执行)。
select_type表示 SELECT 的类型，常见的取值有 SIMPLE（简单表，即不使用表连接或者子查询）、PRIMARY（主查询，即外层的查询）、UNION（UNION 中的第二个或者后面的查询语句）、SUBQUERY（SELECT/WHERE之后包含了子查询）等
type表示连接类型，性能由好到差的连接类型为NULL、system、const、eq_ref、ref、range、 index、all
possible_key显示可能应用在这张表上的索引，一个或多个
key实际使用的索引，如果为NULL，则没有使用索引
key_len表示索引中使用的字节数， 该值为索引字段最大可能长度，并非实际使用长度，在不损失精确性的前提下， 长度越短越好
rowsMySQL认为必须要执行查询的行数，在innodb引擎的表中，是一个估计值，可能并不总是准确的
filtered表示返回结果的行数占需读取行数的百分比， filtered 的值越大越好

2.6 索引使用

2.6.1 最左前缀法则

如果索引了多列（联合索引），要遵守最左前缀法则。最左前缀法则指的是查询从索引的最左列开始，并且不跳过索引中的列。如果跳跃某一列，索引将会部分失效(后面的字段索引失效)。

以 tb_user 表为例，我们先来查看一下之前 tb_user 表所创建的索引。

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对于最左前缀法则指的是，查询时，最左边的列，也就是profession必须存在，否则索引全部失效。而且中间不能跳过某一列，否则该列后面的字段索引将失效。

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以上的这三组测试中，我们发现只要联合索引最左边的字段 profession存在，索引就会生效，只不过索引的长度不同。 而且由以上三组测试，我们也可以推测出profession字段索引长度为47、age字段索引长度为2、status字段索引长度为5。

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通过上面的这两组测试，我们也可以看到索引并未生效，原因是因为不满足最左前缀法则，联合索引最左边的列profession不存在。

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上述的SQL查询时，存在profession字段，最左边的列是存在的，索引满足最左前缀法则的基本条件。但是查询时，跳过了age这个列，所以后面的列索引是不会使用的，也就是索引部分生效，所以索引的长度就是47。

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当查询字段顺序发生改变时，我们可以看到，是完全满足最左前缀法则的，索引长度54，联合索引是生效的。即：最左前缀法则中指的最左边的列，是指在查询时，联合索引的最左边的字段(即是第一个字段)必须存在，与我们编写SQL时，条件编写的先后顺序无关。

2.6.2 范围查询

联合索引中，出现范围查询(>,<)，范围查询右侧的列索引失效。

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当范围查询使用> 或 < 时，走联合索引了，但是索引的长度为49，就说明范围查询右边的status字段是没有走索引的。

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当范围查询使用>= 或 <= 时，走联合索引了，但是索引的长度为54，就说明所有的字段都是走索引的。所以，在业务允许的情况下，尽可能的使用类似于 >= 或 <= 这类的范围查询，而避免使用 > 或 <。

2.6.3 索引失效情况

失效方式一：索引列运算

不要在索引列上进行运算操作， 索引将失效。

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失效方式二：字符串不加引号

字符串类型字段使用时，不加引号，索引将失效。

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失效方式三：模糊查询

如果仅仅是尾部模糊匹配，索引不会失效。如果是头部模糊匹配，索引失效。

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经过上述的测试，我们发现，在like模糊查询中，在关键字后面加%，索引可以生效。而如果在关键字前面加了%，索引将会失效。

失效方式四：or连接条件

用or分割开的条件， 如果or前的条件中的列有索引，而后面的列中没有索引，那么涉及的索引都不会被用到。

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由于age没有索引，所以即使id有索引，索引也会失效，所以需要针对于age也要建立索引。

失效方式五：数据分布影响

如果MySQL评估使用索引比全表更慢，则不使用索引。

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经过测试我们发现，相同的SQL语句，只是传入的字段值不同，最终的执行计划也完全不一样，这是为什么呢？就是因为MySQL在查询时，会评估使用索引的效率与走全表扫描的效率，如果走全表扫描更快，则放弃索引，走全表扫描。 因为索引是用来索引少量数据的，如果通过索引查询返回大批量的数据，则还不如走全表扫描来的快，此时索引就会失效。

2.6.4 SQL提示

SQL提示，是优化数据库的一个重要手段，简单来L语句中加入一些人为的提示来达到优
化操作的目的。

  • use index ： 建议MySQL使用哪一个索引完成此次查询（仅仅是建议，mysql内部还会再次进行评估）
explain select * from tb_user use index(idx_user_pro) where profession = '软件工程';
  • ignore index ： 忽略指定的索引
explain select * from tb_user ignore index(idx_user_pro) where profession = '软件工程';
  • force index ： 强制使用索引
explain select * from tb_user force index(idx_user_pro) where profession = '软件工程';

2.6.5 覆盖索引

尽量使用覆盖索引，减少select *。 那么什么是覆盖索引呢？ 覆盖索引是指 查询使用了索引，并且需要返回的列，在该索引中已经全部能够找到。

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从上述的执行计划我们可以看到，这些SQL语句的执行计划前面所有的指标都是一样的，看不出来差异。但是此时，我们主要关注的是后面的Extra，第一条SQL的结果为 Using where; UsingIndex ; 而后面两条SQL的结果为: Using index condition 。

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2.6.6 前缀索引

当字段类型为字符串（varchar，text，longtext等）时，有时候需要索引很长的字符串，这会让索引变得很大，查询时，浪费大量的磁盘IO， 影响查询效率。此时可以只将字符串的一部分前缀，建立索引，这样可以大大节约索引空间，从而提高索引效率。

语法：

create index idx_xxxx on table_name(column(n)) ;

示例：

# 为tb_user表的email字段，建立长度为5的前缀索引。
create index idx_email_5 on tb_user(email(5));

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前缀长度：

可以根据索引的选择性来决定，而选择性是指不重复的索引值（基数）和数据表的记录总数的比值，索引选择性越高则查询效率越高， 唯一索引的选择性是1，这是最好的索引选择性，性能也是最好的。

select count(distinct email) / count(*) from tb_user ;
select count(distinct substring(email,1,5)) / count(*) from tb_user ;

前缀索引的查询流程：

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2.6.7 单列索引与联合索引

单列索引：即一个索引只包含单个列。
联合索引：即一个索引包含了多个列。

在业务场景中，如果存在多个查询条件，考虑针对于查询字段建立索引时，建议建立联合索引，而非单列索引，避免回表查询。

如果查询使用的是联合索引，具体的结构示意图如下：

在这里插入图片描述

2.7 索引设计原则

  • 针对于数据量较大，且查询比较频繁的表建立索引。
  • 针对于常作为查询条件（where）、排序（order by）、分组（group by）操作的字段建立索引。
  • 尽量选择区分度高的列作为索引，尽量建立唯一索引，区分度越高，使用索引的效率越高。
  • 如果是字符串类型的字段，字段的长度较长，可以针对于字段的特点，建立前缀索引。
  • 尽量使用联合索引，减少单列索引，查询时，联合索引很多时候可以覆盖索引，节省存储空间，避免回表，提高查询效率。
  • 要控制索引的数量，索引并不是多多益善，索引越多，维护索引结构的代价也就越大，会影响增删改的效率。
  • 如果索引列不能存储NULL值，请在创建表时使用NOT NULL约束它。当优化器知道每列是否包含NULL值时，它可以更好地确定哪个索引最有效地用于查询。

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